CN101560762A

CN101560762A - 真空预压改进技术方法

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Publication number: CN101560762A
Application number: CNA2009100688218A
Authority: CN
Inventors: 杜东菊; 杨爱武; 赵瑞斌; 刘寒鹏; 刘举; 卢力强
Original assignee: Tianjin Urban Construction College
Current assignee: Tianjin Urban Construction College
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2009-10-21

Abstract

一种真空预压改进技术方法，在需排水的软土地表上覆盖土工布，在软土地表内竖向插入多个排水板，排水板上端露出地表面的土工布上面，在土工布上布设滤管，滤管连接波纹管；在滤管和波纹管上面覆盖表面土工布，在最上面覆盖密封膜；波纹管连接真空吸水泵。和几种变换布设的方法。特点及效果：真空堆载预压在加固区土体中产生超静孔隙水压力，随着超静孔隙水压力逐渐消散，地基土产生固结。水平排水与垂直排水在真空堆载预压技术中都不可缺少，但垂直排水在地基处理效果中的作用更大。堆载大小对下覆地基土固结度作用不同，试验表明堆载大小与固结度成正比。真空预压对新近吹填土的加固效果十分明显。

Description

真空预压改进技术方法

技术领域

本发明属于涉及软土地基处理技术，特别是涉及一种真空预压改进技术方法。

背景技术

按照天津滨海新区发展规划要求，滨海新区将建成面向21世纪的高度开放的现代化经济新区，将成为天津市及区域经济最大的增长点。加快滨海新区的开发，已成为环渤海区域发展乃至全国发展战略布局的重要组成部分。

天津滨海新区目前正在开展大面积(规划约300Km²)吹填造陆工程，如何加速吹填场地工程使用，是当前亟待解决的问题。吹填土作为特殊性土，分布范围小，在我国部分沿海城市有吹填，且组成成分及沉积环境差别较大，有资料显示的研究内容很少，存在着理论落后于实际的现状，对其工程性质及其处理方式缺乏系统的研究。

真空预压是利用抽真空在土体中形成负压来加固软土地基的一种方法。现已在港口道路建筑工程的软基处理中广泛使用。真空预压加固软土的施工工艺和设计方法等都十分成熟，但由于长期以来在作用机理的认识上存在争论，以至于该技术未有大的发展和创新。传统的真空预压处理方法需要在软基有一定的强度的基础上才进行施工，且水平排水基本上是50cm砂。

真空预压技术在软基处理中已广泛使用。目前天津滨海新区大面积吹填造陆工程地基处理更是广泛使用真空预压技术。由于吹填土强度极低，传统的真空预压技术难以直接满足工程建设的需要。本研究结合天津吹填场地工程实际，应用真空堆载预压改进技术对吹填软土进行处理。结果表明，不同的水平排水以及上部加载大小对加固深度、表层硬壳的厚度以及土体的固结度等有明显区别，工程实践中值得借鉴。

发明内容

本发明提供一种真空预压改进技术方法，通过对传统真空预压技术的改进，主要是改进水平排水材料，达到省时省费用，特别适合于刚吹填的软土地基处理。

本发明的内容是：

一种真空预压改进技术方法，其特征在于：在需排水的软土地表上覆盖土工布，在软土地表内竖向插入多个排水板，排水板上端露出地表面的土工布上面，在土工布上布设滤管，滤管连接波纹管；在滤管和波纹管上面覆盖表面土工布，在最上面覆盖密封膜；波纹管连接真空吸水泵。

在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有8cm厚海绵层。

在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有2cm厚海绵层，在滤管和波纹管和下面的土工布之间填充有2cm厚海绵层。

在滤管和波纹管和下面的土工布之间填充有2cm厚海绵层。

在滤管和波纹管和下面覆盖的表面土工布之间填充有6cm厚砂层。

本发明主要特点及效果：

(1)真空堆载预压在加固区土体中产生超静孔隙水压力，随着超静孔隙水压力逐渐消散，地基土产生固结。

(2)水平排水与垂直排水在真空堆载预压技术中都不可缺少，但垂直排水在地基处理效果中的作用更大。

(3)堆载大小对下覆地基土固结度作用不同，试验表明堆载大小与固结度成正比。

(4)加固区沉降量大小与垂直及水平排水有关，未有垂直排水时沉降量最大，说明土体中水未排出，土体固结度小。

(5)水平排水层厚度及透水性影响处理效果。

附图说明

图1：是分区加载示意图

图2-1真空预压法的技术改进结构之一图

图2-2真空预压法的技术改进结构之二图

图2-3真空预压法的技术改进结构之三图

图2-4真空预压法的技术改进结构之四图

图2-5真空预压法的技术改进结构之五图

图2-6真空预压法的技术改进结构之六图

图中：1密封沟、2密封膜、3土工布、4排水管、5土工布、6排水板、7 8cm厚海绵、8双层2cm厚海绵、9 2cm厚海绵、10 6cm砂垫层、11四通、12射流泵

图3-1表面平均沉降随时间变化曲线图

图3-2是40cm深处孔隙水压力随时间变化的消散曲线。

图3-3是80cm深处孔隙水压力随时间变化的消散曲线

图3-4-1各区十字板剪切强度随深度变化曲线

图3-4-2各区十字板剪切强度随深度变化曲线

图3-4-3各区十字板剪切强度随深度变化曲线

图3-4-4各区十字板剪切强度随深度变化曲线

图3-5对吹填泥浆表面形成的硬壳进行测量数据图。

具体实施方式

本发明通过对真空预压法加固机理及施工工艺的深入研究，提出以海绵或土工布代替砂作为水平排水材料，并在水平排水管中充满碎石，防止抽真空时因负压而压瘪。由于海绵或土工布可重复利用多次，因而降低真空预压法的工程造价。

1技术方案

1.1试验仪器设备

试验装置包括真空度源(射流泵)、连接装置(6cm波纹管、滤管、法兰盘)、量测系统(真空表、孔压计、表层沉降标)等部分组成。

1.2技术方法

采用室外模型试验模拟现场，方法如下：在原位试验场挖两个试验坑，一个用做蓄水池及安装真空度源，尺寸为4.0×4.0×1.0m(长、宽、深)，另一个用来装泥浆进行试验，尺寸为5.0×5.0×1.2m。试验前先在两个坑的底部和侧壁铺一层土工布，再铺一层塑料膜后安装真空度源及装泥浆。

1.3试验方案

通过对真空预压法的技术改进研究，精选了六种不同方案对天津滨海新区新近吹填泥浆进行加固处理。

图1是试验区采用的分区加载连接示意图

各种方案如下：如图2-1、2-1、2、2-3、2-4、2-15、2-6、所示个方案：

方案一：土工布+波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板；

在需排水的地表上覆盖土工布，在地表内竖向插入多个排水板，排水板上端露出地表面的土工布上面，在土工布上布设滤管，在土工布上覆盖密封膜，滤管连接波纹管；

方案二：土工布+8cm海绵+波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板；

方案三：土工布+2cm海绵+波纹管+2cm海绵+土工布+密封膜，竖向插排水板；

方案四：土工布+波纹管+2cm海绵+土工布+密封膜，竖向插排水板；

在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有2cm厚海绵层。

方案五：土工布+6cm砂+波纹管+土工布+密封膜，竖向插排水板；

在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有6cm厚砂层。

方案六：土工布+6cm砂+波纹管+土工布+密封膜，竖向不插排水板；

1.4试验步骤

通过对现场真空预压施工工艺的深入研究，提出本试验的试验步骤。具体试验步骤如下：

(1)首先调制泥浆，含水量控制在70％左右，使泥浆尽量拌合均匀，然后充填于试验坑中，泥浆表面基本与坑沿齐平；

(2)准备工作，裁剪排水板，长度1.5m；孔压探头及真空表管头用滤纸包好，防止泥浆进入探头，并置于水中浸泡24小时，用土工布将滤管顶端包裹好并用细铁丝扎紧；

(3)将土工布布设于泥浆表面，按排水板间距距坑边0.5m、各排水板之间相距1.3m预留好排水板孔和孔压探头孔，并按图示位置布设排水板和孔压探头。按不同的试验方案铺设不同的水平排水材料及滤管。在滤管中装入卵石，尽可能的充填满，防止滤管在负压作用下被压瘪，影响抽真空效果。

(4)铺设密封膜，安装好真空表及真空泵。

(5)安装沉降标和振弦频率读数仪

(6)开始抽真空，等真空表读数上升到最大、海绵压缩稳定后开始读取沉降基数，并开始详细记录表面沉降数据，第一个小时每十分钟读一次数，第二个小时每二十分钟读一次数，第三个小时每半小时读数，随后每小时读一次数；

(7)等沉降稳定后分区逐级加载，I区加载0Kpa(不加载)，II区加载5Kpa(砂约厚40cm)，III区加载10Kpa(砂约厚80cm)，IV区加载15Kpa(砂约厚120cm)，见图3-4-1、图3-4-2、图3-4-3、图3-4-4；

(8)抽真空至孔隙水压力完全消散时结束真空预压；

(9)在现场做十字板剪切试验。

1.5监测方案

为全面研究真空预压施工质量及加固效果，在加固区布置多项检验及监测项目。其中包括：表面沉降、孔隙水压力变化、十字板剪切试验等，并对真空预压全过程进行跟踪监测。

(1)、表面沉降观测

研究真空预压期间吹填泥浆的固结沉降情况，绘制时间-沉降曲线图，为计算沉降的研究提供验证的资料。加载前沉降标位于试验坑中心位置，加载后对各区分别进行沉降观测，以便测得的沉降量能较真实地反映实际情况。加载前的沉降标安装时，要注意保护膜面，首先在膜面上铺小块土工布，其上铺10cm左右厚的砂层，再将沉降标置于砂层上。加载后的沉降标直接安置在砂袋上。

(2)、孔隙水压力观测

研究土体中孔隙水压力沿竖向排水体的分布情况、传递规律及随时间变化情况。设置2个孔隙水压力观测断面，共2组，每组埋设2个孔压计。

(3)、十字板剪切试验

试验结束后进行现场十字板剪切试验。测试时每区按据排水板的不同距离设3个试验点。各个试验点分别沿深度0.1m、0.4m、0.6m作为测点，可以得到各方案加固后自地面向下沿深度方向的十字板强度变化曲线。它能比较准确直观地反映土体强度的变化，从而检验加固效果。

2试验结果分析

本试验的准备工作从07年3月份开始，到10月30日四种方案全部结束，历时半年多。试验取得了令人满意的效果，真空预压结束后泥浆表面能形成50-70cm的硬壳，土体的强度得到明显的增加，试验研究成果如下：

2.1表面沉降监测成果分析

表面沉降观测是软基处理沉降分析的基础，沉降速率是判断软基处理成果的一个重要指标和加固效果最直接的反映。

真空预压期间由于塑料排水板为土体提供了竖向排水通道，土体在上部负压及堆载的共同作用下排水固结，产生一定的沉降。

见图3-1所示表面平均沉降随时间的变化情况。

由图3-1看出，在真空预压期间，各种方案都有不同程度的表面沉降。沉降分为三个阶段，第一阶段为抽真空初期，此阶段的沉降速率较大；第二阶段为抽真空开始后的第2天到第7天，此阶段沉降速率较第一阶段有所减小，沉降速率基本保持稳定；第三阶段为抽真空第8天至试验结束，此阶段沉降基本稳定。由此可以看出，在抽真空初期沉降速率较大，随时间的延长逐渐变缓，说明土体主固结变化速率是一个渐变收敛的过程。其中方案三平均沉降最大，为70mm，方案六最小，为51mm。通过沉降观测可以看出，真空预压的作用十分明显。

2.2孔隙水压力观测成果分析

孔隙水压力观测是了解地基土体固结状态最直接的手段，根据孔隙水压力在真空荷载的作用下，土体中的孔隙水压力不断减小的变化规律，可分析得到地基土体的固结机理。

图3-2给出了不同部位40cm处孔隙水压力随时间变化的消散曲线。

图3-3给出了不同部位80cm处孔隙水压力随时间变化的消散曲线。

由图可以看出，土体中不同深度的孔压变化在连续抽真空4天后，基本趋于稳定。并且孔隙水压力在不同深度都有一定的消散，随着深度的不同，孔隙水压力消散的程度也略有不同，总体来看，深度较浅的土体孔隙水压力消散的速率较大，依次沿着深度的递增，其消散速度逐渐减小。总之：

(1)真空度是由上向下逐渐传递，且越靠近地表，真空荷载作用愈明显，土体固结就越快；

(2)竖向排水体附近的孔压消散明显快于相同深度泥浆中的孔隙水压力的消散。主要因为塑料排水板起到增加土体中竖向排水通道的作用，波纹管同时起到传递真空压力和集水的作用。

2.3十字板剪切试验

十字板剪切试验，是用十字板仪在原位测定软土地基的不排水抗剪强度的试验。根据所测出的抗剪强度，能进一步推算出地基承载力。试验结束后分区按据排水板的不同距离进行了十字板试验，结果如下：

上表1各方案表层土体承载力

图3-4-1、图3-4-2、图3-4-3、图3-4-4各区十字板剪切强度随深度变化曲线

由图可以看出，剪切强度按深度递增呈递减的趋势。通过对比各方案的试验数据可以看出，方案一加固后的效果最好，而加载15Kpa的IV区强度普遍高于其它区。

根据中华人民共和国行业标准《港口工程地质勘察规范》(JTJ240-97)，可按下式评定地基土的承载力：f_k＝3c_u(使用值)+γD

式中f_k-地基承载力标准值；γ-土的重度D-表示基础埋置深度

将现场实测十字板试验数据代入上面两式，通过计算得出试验结束后各方案表层土体承载力数值(详见表1)，由于试验前土体呈稀浆基本不具有承载力，由计算数据可知试验后土体的承载力得到显著的改善。

2.4土体的固结度分析

根据模型试验的实测沉降资料，可以推算出加固土体的最终沉降量。推算得到的“最终沉降量”实际上是指固结度达到100％时地基的沉降量，并不包括在主固结完成后发生的次固结沉降。土体的固结度Ut可通过沉降量或孔隙水压力得到。沉降量计算固结度时，必须得到土体的最终沉降量。最终沉降量可由已经观测到的不同时间间隔的沉降量推算。沉降随时间发展曲线拟合的方法较多，主要有指数曲线和双曲线拟合法，另外，还有泊松曲线拟合以及Asaoka法等。本文对不同条件下地基的实测沉降进行指数曲线法拟合分析，计算出试验结束后各种方案的固结度，见下表2：

表2 各种方案的固结度

	方案一	方案二	方案三	方案四	方案五	方案六
	方案一	方案二	方案三	方案四	方案五	方案六	st	59.67	67.00	70.67	62.67	63.33	51.00
sf	92.24	119.60	126.92	105.14	90.53	78.00	st	59.67	67.00	70.67	62.67	63.33	51.00
sf	92.24	119.60	126.92	105.14	90.53	78.00	U	0.65	0.56	0.56	0.60	0.70	0.65

通过计算数据可以看出，在真空压力的作用下土体都发生了不同程度的固结，10d后固结度可达到70％左右。

2.5各试验方案加固深度(亦即加固土层厚度)分析

采用真空预压方法加固软土地基，普遍认为浅层处理效果较显著，而对加固的有效深度大小意见不一。不同的工程实践和试验研究得出不同的结论，有认为真空预压效果只限于浅层的，有认为可以达到10m左右深度的，也有认为可达到塑料排水板底部附近的，对此理论和工程至今没有形成一致的看法。各方案结束后，对吹填泥浆表面形成的硬壳进行了测量，测量数据见图3-5。

由图可以看出，试验结束后各方案表层均形成了一定厚度的结壳。在抽真空十天后，真空预压的加固深度可以达到排水板深度一半多的位置，说明真空预压对新近吹填土的加固效果十分明显。

Claims

1、一种真空预压改进技术方法，其特征在于：在需排水的地表上覆盖土工布，在地表内竖向插入多个排水板，排水板上端露出地表面的土工布上面，在土工布上布设滤管，滤管连接波纹管；在滤管和波纹管上面覆盖表面土工布；波纹管连接真空吸水泵。

2、根据权利要求1所述的真空预压改进技术方法，其特征在于：在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有8cm厚海绵层。

3、根据权利要求1所述的真空预压改进技术方法，其特征在于：在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有2cm厚海绵层，在滤管和波纹管和下面的土工布之间填充有2cm厚海绵层。

4、根据权利要求1所述的真空预压改进技术方法，其特征在于：在滤管和波纹管和下面的土工布之间填充有2cm厚海绵层。

5、根据权利要求1所述的真空预压改进技术方法，其特征在于：在滤管和波纹管和上面覆盖的表面土工布之间填充有6cm厚砂层。